德國(guó)和韓國(guó)研發(fā)石墨烯生物傳感器用于血液檢測(cè)

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，德、韓兩國(guó)科學(xué)家共同開(kāi)發(fā)出一種“無(wú)標(biāo)記”設(shè)計(jì)，將適配體電化學(xué)生物傳感器性能提升到新的水平。適配體電化學(xué)生物傳感器一向以高靈敏度和低檢測(cè)限著稱，如今輔以基于激光誘導(dǎo)石墨烯的“無(wú)標(biāo)記”設(shè)計(jì)，為即時(shí)診斷應(yīng)用鋪平了道路。

該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一款新型生物傳感器，可以精確檢測(cè)血液中微量的凝血酶。凝血酶是一種用來(lái)止血的酶，它在人體受傷時(shí)幫助血液保留在受損的血管中，在傷口愈合過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。但讓生物學(xué)家們更感興趣的是，在異常情況下凝血酶的濃度會(huì)升高，因此，通過(guò)檢測(cè)血液中微小濃度的凝血酶，便可以監(jiān)測(cè)和診斷血液疾病及惡性腫瘤。這一研究成果或?qū)氐赘淖冄杭膊≡\斷技術(shù)。

激光誘導(dǎo)石墨烯叉指電極用于“無(wú)標(biāo)記”適配體生物傳感器圖像

“生物傳感器”通常用于生物標(biāo)記物檢測(cè)，由兩部分組成：作用于靶分子的生物識(shí)別元件(受體)和將生物識(shí)別信息轉(zhuǎn)換為可測(cè)量信號(hào)的傳感器。

傳統(tǒng)上常用抗體(一種具有檢測(cè)和結(jié)合特定分子能力的蛋白質(zhì))來(lái)充當(dāng)生物識(shí)別元件，但抗體的穩(wěn)定性差且難以合成?！斑m配體”是一個(gè)更好的選擇——它是一種基于核酸的分子，可以與特定的靶分子結(jié)合，相比抗體更加穩(wěn)定。

適配體電化學(xué)生物傳感器的高靈敏度和低檢測(cè)限，使其成為檢測(cè)微小濃度生物標(biāo)記物(比如凝血酶)的理想工具。唯一的問(wèn)題是，生物標(biāo)記物一般很難被檢測(cè)出，除非帶有“標(biāo)記”(如酶或熒光分子)。如何跳過(guò)這個(gè)“標(biāo)記”，成了簡(jiǎn)化檢測(cè)流程、優(yōu)化檢測(cè)成本的關(guān)鍵所在。

為解決這個(gè)難題，德國(guó)雷根斯堡大學(xué)和韓國(guó)中央大學(xué)的科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出了此新型適配體生物傳感器，采用“激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)”這一高度多孔并可聯(lián)鎖成型的材料，形成叉指電極。

韓國(guó)中央大學(xué)副教授Lee Min-Ho是這項(xiàng)研究的主要科學(xué)家之一，他解釋說(shuō)：“LIG具備石墨烯的高導(dǎo)電性，加工工藝特別簡(jiǎn)單(只需一臺(tái)二氧化碳激光打印機(jī)即可)，且它的高孔隙率及其聯(lián)鎖設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了傳感器的靈敏度?！?/p>

LIG生物傳感器采用“電容式”傳感原理，傳感器與靶分子直接結(jié)合。這支研究小組在其更早期的論文中說(shuō)到，科學(xué)家們根據(jù)電化學(xué)阻抗譜的研究，發(fā)現(xiàn)LIG電極在低頻下的性能表現(xiàn)卓越。

該研究小組的最新論文中說(shuō)道，他們利用LIG的這一特性優(yōu)化了生物傳感器，并記錄了緩沖液和血清樣品中不同濃度的凝血酶在0.5Hz(或半周/秒)頻率下的響應(yīng)情況。他們還測(cè)量了傳感器的靈敏度和檢測(cè)限，可通過(guò)脂質(zhì)體和聚合物納米粒子等“標(biāo)記”與電極尺寸的函數(shù)推算得知。

研究小組發(fā)現(xiàn)，LIG生物傳感器可以可靠地檢測(cè)5個(gè)數(shù)量級(jí)以上的凝血酶濃度變化，檢測(cè)下限極低，且無(wú)論電極尺寸如何變化，檢測(cè)性能幾乎不變。

同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)，無(wú)標(biāo)記檢測(cè)和納米顆粒標(biāo)記結(jié)合工作，其效果更佳，會(huì)有極小幅度的靈敏度提高或檢測(cè)限下降?？茖W(xué)家們將這一發(fā)現(xiàn)歸功于電極的高孔隙率。電極的高孔隙率決定了傳感器的電容性響應(yīng)。

此外，LIG生物傳感器具有良好的重現(xiàn)性、重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性(7周內(nèi))，也就是良好的魯棒性。

這項(xiàng)研究成果令人鼓舞?？茖W(xué)家們對(duì)LIG適配體生物傳感器在凝血酶檢測(cè)和其他常用生物標(biāo)志物領(lǐng)域中的應(yīng)用前景感到非常興奮。Lee博士樂(lè)觀地預(yù)言：“LIG生物傳感器便于生產(chǎn)和調(diào)整、在無(wú)標(biāo)記形式下性能依然表現(xiàn)優(yōu)越，這些都表明，在不久的將來(lái)LIG生物傳感器將被應(yīng)用在即時(shí)診斷。適配體和新型石墨烯電極的結(jié)合、電化學(xué)免疫分析技術(shù)的商業(yè)化，將會(huì)在未來(lái)5~10年內(nèi)成為可能?！?/p>